清華研發：用于檢測呼吸心率等信號的石墨烯電子皮膚

清華研發：用于檢測呼吸心率等信號的石墨烯電子皮膚

貼上一塊薄薄的電子皮膚，可以檢測人體的生理信號，預防某些疾病的發生，這種科幻場景在不久的將來可能成為現實。

近日，清華大學微電子與納米電子學系任天玲教授研制出一種多層石墨烯表皮電子皮膚。該裝置靈敏度高，可直接應用于皮膚檢測呼吸、心率、發聲等人體信號。它在運動監測、睡眠監測、生物醫學治療等方面具有廣闊的應用前景。

皮膚作為人體最大的器官，負責內外環境的相互作用，在其軟組織下，有一個巨大的傳感器網絡，可以實時獲取溫度、壓力、氣流等外部信息的變化，電子皮膚可以實現或超越人體皮膚的傳感功能。近年來，通過對人體皮膚傳感功能的模擬，研究得到了迅速發展，成為一種重要的生物醫學傳感器。

電子皮膚研究的目的是為了更好地收集體征，了解人們的身體狀況，了解疾病的早期特征，將疾病扼殺在萌芽狀態。本文第一作者喬燕聰解釋了研究的目的。

在國內外，人們嘗試用不同的材料制作電子皮膚。這些材料需要有良好的靈活性和靈活性，高靈敏度，良好的適合性和舒適性。

清華大學任天玲教授使用的材料是石墨烯，記者了解到石墨烯與電子皮膚的結合在國內外剛剛起步，石墨烯是世界上最薄的材料。它具有良好的導電性和柔韌性。它是一種理想的電子皮膚材料。

如何將石墨烯更穩定、可靠地粘附在皮膚表面采集人體生理信號，是目前亟待解決的關鍵問題，也是該領域的一個研究難點。

任天玲教授的團隊創造了一種新的氧化石墨烯濕剝離工藝，去除氧化石墨烯，只留下石墨烯，使器件更美觀、更靈敏，并能承受更高的溫度，如果沒有剝離工藝，殘留的氧化石墨烯在施加時會分散部分力，從而降低了表面粗糙度。裝置的靈敏度。任天玲說。

任天玲介紹了多層石墨烯的使用，單層石墨烯厚度僅為1米的三分之一，但由于其相對脆弱性，很難處理，另外，低缺陷單層石墨烯的生長成本相對較高，為了提高可操作性，我們制備了多層石墨烯，它不僅可以提高單層石墨烯的可操作性。降低了制備成本，同時提高了器件的靈敏度。

機械信號，如脈沖呼吸，改變電子皮膚傳感器的電阻。通過對該電信號的分析，我們可以對該信號進行分析，在解決了原材料問題之后，下一個問題是如何將石墨烯作為人體表面的基片進行匹配和檢測。

通過激光直寫對石墨烯微觀結構的分析和研究，任天玲的團隊建立了基于石墨烯帶狀結構的理論裂紋模型，模擬了應力引起的電阻變化過程，任天玲解釋說，在電子顯微鏡下觀察了斷裂形態。發現了兩種不同類型的裂紋，并進行了模型仿真和實驗驗證。模擬結果與實驗結果吻合較好。

事實上，這個模型在現實中有著非常生動的對應關系。當我們吃牛肉干時，我們會發現牛肉干有皺紋。沿著不同的方向撕開牛肉干所需要的力是不同的。不同方向的斷線是不同的?？茖W是各向異性的。

在了解石墨烯的特性后，我們可以通過電阻值的變化來監測和分析人體的生理信息，電子皮膚附著在口罩、手腕和喉嚨等不同的位置，可以測量呼吸、心跳和聲音等生理信號，心率可以是m。對胸部、手腕和指尖進行測量，呼吸可以在人體和喉部進行測量。人體的任何部位都適合，但適合的部位應該根據實際情況來確定。任天玲說。

現在我們仍在開發后端系統，希望能完成一個便攜式系統，讓你隨時隨地都能知道自己的標志。

電子皮膚的傳感功能在機器人的醫學檢測和診斷中有著廣闊的應用前景，近年來，電子皮膚的研究正蓬勃發展。

2017年6月，中國科學院半導體研究所研制出一種超薄、高像素、可直接貼附于人體表面的柔性電子皮膚陣列，該團隊設計的傳感器對環境壓力具有超靈敏。微米級超薄可拉伸基板和蛇形電極結構使器件不僅具有彈性，而且容易損壞。

六月，約翰霍普金斯大學醫學院的一組研究人員開發出一種能感知疼痛和觸摸的電子皮膚。包裹電子皮膚的假體有助于截肢者避免受傷，電子皮膚的傳感器通過放置在皮膚上的電極與佩戴者的假體相連，類似于真實神經傳遞信號的方式，這樣電子皮膚就可以根據電子設備傳遞的不同脈沖模式，傳送一個從輕微接觸到疼痛的一系列感覺。

任天玲說，電子皮膚可以實時監測人體狀況。目前，醫學界對疾病預防的重視程度越來越高。如果我們能在疾病的早期監測信號，我們就能把它扼殺在萌芽狀態。這不僅可以減輕病人的痛苦，而且可以降低治療費用，這對國民來說是一項巨大的福利。

2004年，曼徹斯特大學的科學家安德烈·海姆和康斯坦蒂諾沃·肖洛夫制造了石墨烯，這是世界上最薄、最結實的材料。6年后，這兩位科學家因在石墨烯研究方面的杰出成就而獲得了諾貝爾物理學獎，進一步將石墨烯推向科學研究的前沿。

石墨烯只有一個原子厚，其斷裂強度比最好的鋼高100倍，其柔韌性令人驚嘆，其拉伸范圍可達其尺寸的20%。如果吊床是由面積為1平方米的石墨烯制成的，它能承受貓的重量，重量小于1毫克，相當于只有一個貓的胡須。

石墨烯具有良好的機械性能和厚度，使其具有柔韌性，并能隨著人體表面的變形而變化。同時，石墨烯具有良好的導電性，能對機械信號產生明顯的響應，并將其轉換成可測量的電信號。任天玲說。

基于這些特點，近年來石墨烯的研究取得了很大進展，2017年清華任天靈團隊首次實現了石墨烯智能人工喉，這種新型智能設備具有語音收發一體化的特點。它不僅能接收聲音，還能發出聲音。具有良好的生物相容性。它可以附著在聾啞人的喉嚨上，幫助他們說話。

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